JP5474946B2 - パッケージ応力を補償する応力逃がしを有する容量性センサ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサに関する。より具体的には、本発明は、ＭＥＭＳ差動容量性加速度計に関する。

加速度計は、加速力を測定するために通常利用されるセンサである。これらの力は、一定重力のように静的である可能性があり、または、動的であり得り、加速度計を移動させるまたは振動させることによって引き起こされる。加速度計は、１つ、２つ、または、３つの軸または方向に沿う加速度または他の現象を検知してもよい。この情報から、加速度計が設置されているデバイスの動きまたは向きが確認されうる。加速度計は、慣性誘導システム、車両内のエアバッグ展開システム。種々のデバイス用の保護システム、および多くの他の科学および工業システムで使用される。

容量検知型ＭＥＭＳ加速度計設計は、コストが比較的低いために、高重力環境および小型デバイスでの動作のために非常に望ましい。容量性加速度計は、加速度に関して、電気キャパシタンスの変化を検知して、エネルギー供給される回路の出力を変える。加速度計の一般的な１つの形態は、「ティーター・トッター(teeter-totter)」または「シーソー(see saw)」構成を有する容量性変換器である。一般的に利用されるこの変換器タイプは、基板上で、ｚ軸加速度下で回転する可動要素または板を使用する。加速度計構造は、少なくとも２つの別個のキャパシタンスを測定して、差動または相対キャパシタンスを確定しうる。

図１および２を参照して、図１は、従来のヒンジ付きまたは「ティーター・トッター」タイプ加速度計として構築された従来技術の容量検知型ＭＥＭＳセンサ２０の平面図を示し、図２は、ＭＥＭＳセンサ２０の側面図を示す。ＭＥＭＳセンサ２０は、静的基板２２および基板２２から離間した可動要素２４を含み、両者はそれぞれ、対向する平坦面を有する。基板２２は、キャパシタ電極または「板」を形成するために、基板表面２８上に堆積された、いくつかの所定の構成の導電性電極要素２６を有する。例示的なシナリオでは、電極要素２６は、刺激信号を受取る励起または検知電極として動作してもよい。電極要素２６は、さらに、フィードバック信号が検知信号に重ね合わされると、フィードバック電極として動作してもよい。

「試験質量(proof mass)」と一般に呼ばれる可動要素２４は、回転軸３２を中心に旋回するかまたは回転して、電極要素２６によって、Ｃ１およびＣ２と表示されるキャパシタ３４および３６を形成することを可能にするために、１つまたは複数の懸垂アンカーまたは回転撓み部３０によって基板２２上で柔軟に懸垂保持される。可動要素２４は、加速度に応答して移動し、したがって、静的検知電極要素２６に対してその位置を変化させる。この位置変化は、一組のキャパシタをもたらし、一組のキャパシタの差、すなわち、差動キャパシタンスが、方向３７の加速度を示す。

ティーター・トッタータイプ加速度計として動作することを意図されるとき、回転軸３２の一方の側の可動要素２４のセクション３８は、回転軸３２の他方の側の可動要素２４のセクション４０に比べて比較的大きな質量を持って形成される。セクション３８のより大きな質量は、通常、回転軸３２をずらすことによって生成される。すなわち、回転軸３２とセクション３８の端部４４との間の長さは、回転軸３２とセクション４０の端部４８との間の長さより長い。さらに、電極要素２６は、回転軸３２および可動要素２４の長手方向軸５０に関して対称にサイズを決められ、かつ、離間する。

多くのＭＥＭＳセンサ用途は、積極的なコスト目標を満たすために、小さなサイズおよび低コストパッケージングを必要とする。さらに、ＭＥＭＳセンサ用途は、低いオフセット温度係数（ＴＣＯ）仕様を要求する。用語「オフセット(offset)」は、ＭＥＭＳセンサの未励起状態におけるその公称値からの出力変位を指す。そのため、ＴＣＯは、ＭＥＭＳセンサなどの半導体デバイスの性能に、どれだけ多くの熱応力が影響を及ぼしているかの尺度である。高いＴＣＯは、相応して高い熱誘発性応力を示す。すなわち、ＭＥＭＳデバイスは、こうした応力に対して非常に感度が高い。ＭＥＭＳセンサのパケージング用途は、不同の熱膨張係数を有する材料を使用することが多い。そのため、製造または動作中に望ましくないほどに高いＴＣＯが生じることが多い。これらの熱応力ならびに水分および組立プロセスによる応力は、本明細書でパッケージ応力と呼ぶ、下の基板２２の変形をもたらしうる。

図３〜４を参照して、図３は、図１の断面ライン３−３に沿うＭＥＭＳセンサ２０の端部断面図を示し、図４は、図１の断面ライン４−４に沿うＭＥＭＳセンサ２０の端部断面図を示す。図１に示すティーター・トッター構成に特有の問題は、ＭＥＭＳセンサ２０のティーター・トッター構成が、パッケージ応力によって生じる基板２２からの曲げモーメントにさらされると、応力によって、セクション４０、すなわち、より軽いセクションが、セクション３８、すなわち、より重いセクションより大きく変形し、オフセット変化をもたらすことである。図３および４に示すように、パッケージ応力は、可動要素２４のセクション３８の変形より著しく大きな、可動要素２４のセクション４０の変形をもたらしうる。パッケージ応力によって誘発されるこの非対称曲げは、センスキャパシタンス３４と３６との間の望ましくないほどに高いオフセット差（すなわち、低いＴＣＯ性能）をもたらし、したがって、容量性加速度２０の出力に悪い影響を及ぼしうる。

したがって、必要とされるものは、１つまたは複数の軸に沿って検知することができ、かつ、熱誘発性パッケージ応力勾配に対して感度が小さい、低コストで、小型で、単一のティーター・トッタータイプのＭＥＭＳセンサである。

本発明のより完全な理解は、図と共に考えられると、詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって得られる可能性がある。図では、同じ参照数字は、図全体を通して類似の項目を指す。

本発明の一実施形態によると、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを備えるデバイスにおいて、前記センサは、
可動要素の第１の端部と第２の端部との間で変位した回転軸に対して相対移動することによって、前記回転軸と前記第１の端部との間の第１のセクションおよび前記回転軸と前記第２の端部との間の第２のセクションを形成する可動要素において、前記第１のセクションは、前記回転軸と前記第２の端部との間の第２の長さより長い前記回転軸と前記第１の端部との間の第１の長さを有し、前記第１のセクションは、前記可動要素を貫通して延在する溝を有している、可動要素と、
前記可動要素の前記第１のセクションに対向している第１の電極要素、および、前記可動要素の前記第２のセクションに対向している第２の電極要素を備えるとともに、前記可動要素から離間している静的導電層とを備える、デバイスが提供される。

従来技術の容量検知型ＭＥＭＳセンサの平面図。 図１のＭＥＭＳセンサの側面図。 図１の断面ライン３−３に沿うＭＥＭＳセンサの端部断面図で。 図１の断面ライン４−４に沿うＭＥＭＳセンサの端部断面図。 本発明の実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサの平面図。 図５の断面ライン６−６に沿うＭＥＭＳセンサの端部断面図。 図５の断面ライン７−７に沿うＭＥＭＳセンサの端部断面図。 ＭＥＭＳセンサが設置されてもよいデバイスを示す図。

図５は、本発明の実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサの平面図を示す。センサ５２は、たとえば、容量検知型加速度計または別のＭＥＭＳ検知デバイスであってよい。ＭＥＭＳセンサ５２は、ヒンジ付きまたは「ティーター・トッター」タイプ加速度計として構築される。ＭＥＭＳセンサ５２は、基板５４および基板５４から離間した可動要素５６を含み、両者はそれぞれ、対向する平坦面を有する。静的導電性層５８が、基板５４の表面上に堆積される。静的導電性層５８は、少なくとも２つの電気的に絶縁された電極または板の形態であり、たとえば、電極要素６２および電極要素６４を含む（両者は、仮想形態で示される）。電極要素６２および６４は、刺激信号を受取る励起または検知電極として動作してもよい。電極要素６２および６は、さらに、フィードバック信号が検知信号に重ね合わされると、フィードバック電極として動作してもよい。

可動要素５６は、回転軸６８を中心に旋回するかまたは回転して、可動要素５６とそれぞれの電極要素６２および６４との間でキャパシタ（たとえば、図２を参照）を形成することを可能にするために、一対の懸垂アンカー６６または回転撓み部によって基板５４上で懸垂保持され、かつ、基板５４に旋回式に結合される。例証を簡潔にするために、２つの電極６２および６４だけが、図５に示される。しかし、代替の実施形態では、ＭＥＭＳセンサ５２は、電極要素の異なる量および／または異なる構成を含んでもよい。さらに、いくつかの撓み部、ヒンジ、他の回転機構が、回転軸６８を中心とする可動要素５６の旋回運動を可能にするために利用されてもよいことが理解されるべきである。

可動要素５６は、回転軸６８に直交する対称軸７０を示す。対称軸は、対称軸に沿って折畳まれると、一方の部分が他方の部分に一致するように、図を２つの部分に分割する幾何学的図内のラインである。したがって、ＭＥＭＳセンサ５２は、対称軸７０の両側でそのコンポーネントの等価なサイズおよび配置を示す。一実施形態では、懸垂アンカー６６はそれぞれ、対称軸７０に対向する側で等距離７２だけ変位している。

回転軸６８の一方の側の可動要素５６のセクション７４は、回転軸６８の他方の側の可動要素５６のセクション７６に比べて比較的大きな質量を持って形成される。セクション７４のより大きな質量は、回転軸６８をずらすことによって生成される。すなわち、回転軸６８とセクション７４の端部８０との間の長さ７８は、回転軸６８とセクション７６の端部８４との間の長さ８２より長い。電極要素６２は、可動要素５６のセクション７４に面し、電極要素６４は、可動要素５６のセクション７６に面する。さらに、電極要素６２および６４は、回転軸６８および可動要素５６の長手方向対称軸７０に関して対称にサイズを決められ、かつ、離間する。すなわち、電極要素６２および６４はそれぞれ、回転軸６８の対向する側で等距離８６だけ変位し、電極要素６２および６４はそれぞれ、対称軸７０の両側で等距離だけ延在する。

可動要素５６は、方向３７（図２）の加速度に応じて移動し、したがって、静的電極要素６２および６４に対してその位置を変化させる。そのため、電極要素６２および６４は、電極要素６２および６４の平面に垂直な軸に沿う可動要素の相対移動を検出するようになっている。この位置変化は、一組のキャパシタをもたらし、一組のキャパシタの差、すなわち、差動キャパシタンスが、方向３７の加速度を示す。本明細書で利用される用語「静的(static)」は、可動要素５６に対して相対的に静的である導電性層５８ならびに電極要素６２および６４を指す。すなわち、可動要素５６が、回転軸６８を中心に懸垂アンカー６６上で回転するかまたは旋回する間、（電極要素６２および６４を含む）導電性層５８は、可動要素５６に対して、旋回せず、相対回転せず、またはその他の方法で相対移動しない。図１は、ＭＥＭＳセンサ５２の考えられる１つの構成を示す。しかし、ＭＥＭＳセンサ５２は、いくつかの２層形態および／または３層形態をとりうることが理解されるべきである。

セクション７４は、可動要素５６を貫通して延在する溝８８を含む。ある実施形態では、溝８８はそれぞれ、セクション７４の端部８０から回転軸６８に向かって延在する。溝８８はそれぞれ、長さ９０と呼ぶ寸法、および、幅９２と呼ぶ別の寸法を示す。さらに、溝８８は、長手方向対称軸７０の対向する側で均等に分配される。すなわち、対称軸７０の両側に配列され、対称軸７０から等距離だけずれた等しい量の溝８８が存在する。本明細書で示すＭＥＭＳセンサ５２の実施形態は、対称軸７０の対向する側で形成された等しい量の溝８８を含むが、別の実施形態では、ＭＥＭＳセンサ５２は、奇数の溝８８を含んでもよい。したがって、こうした構成では、溝８８のうちの１つの溝が、対称軸７０の中心になるであろう。さらに、全体的に長方形の溝８８が本明細書で示されるが、鋸歯状または三角形形状などの他の形状が、別法として、利用されてもよい。

溝８８の機能は、パッケージ応力によって生じるセクション７４の慣性の曲げモーメントを低減することである。結果として、セクション７４の慣性の曲げモーメントとセクション７６の慣性の曲げモーメントは、より密接に一致する。図６および７を参照して、図６は、図５の断面ライン６−６に沿うＭＥＭＳセンサ５２の端部断面図を示し、図７は、図５の断面ライン７−７に沿うＭＥＭＳセンサ５２の端部断面図を示す。図６および７に示すように、「重い端部(heavy end)」（すなわち、セクション７４）内の溝８８の存在により、パッケージ応力は、回転軸６８の対向する側の可動要素５６のセクション７６の変形にほぼ等しい可動要素５６のセクション７４の変形をもたらす。パッケージ応力によって誘発される可動要素５６の全体的に対称のこの曲げは、ＭＥＭＳセンサ２０（図１）などの従来技術のＭＥＭＳセンサにおいて見られるより著しく小さいオフセット差をもたらす。したがって、ＴＣＯ性能は、相応して改善され、ＭＥＭＳセンサ５２のより正確な加速度出力をもたらす。

ＭＥＭＳセンサ８２を作製する方法は、基板５４を設けることを伴ってもよい。従来の、また、やがて利用できるＭＥＭＳセンサ製造プロセスによって、基板５４は、シリコンを含む半導体ウェハであってよいが、任意の機械的支持基板が利用されてもよい。絶縁層（図示せず）が、基板５４の表面６０上に形成されてもよい。絶縁層は、シリコン二酸化物、シリコン窒化物などであってよい。絶縁層は、コンフォーマルに形成され、その後、パターニングされ、エッチングされてもよい。絶縁層は、基板５４から静的導電性層５８を絶縁するように機能する。しかし、基板５４が非導電性である場合、絶縁層は利用されなくてもよいことが理解されるべきである。

静的導電性層５８は、ポリシリコンを含んでもよいが、他の導電性材料が使用されてもよい。静的導電性層５８は、堆積およびスパッタリングなどの知られている方法で形成されてもよい。静的導電性層５８は、ブランケット層として基板５４の表面６０を覆って堆積されてもよく、また、その後、電極要素６２および６４を形成するために、パターニングされ、エッチングされうる。保護層（図示せず）は、任意選択で、静的導電性層５８を覆って堆積され、将来の処理工程中に基板５４を保護し、静的導電性層５８と可動要素５６との間の短絡および／または溶着を防止するために、所望に応じてパターニングされ、エッチングされてもよい。

犠牲層（図示せず）は、パターニングされ、エッチングされた静的導電性層５８上に形成されてもよい。以前の層のように、犠牲層はまた、コンフォーマルに形成され、その後、所望に応じてパターニングされ、エッチングされてもよい。犠牲層は、フォスホシリケートガラスで形成されてもよく、また、当業者に知られているように、化学気相堆積によって堆積されうる。他の犠牲材料が、フォスホシリケートガラスの代わりに使用されてもよいことが理解されるべきである。

次の導電性層、すなわち、可動要素５６は、ポリシリコンを含み、静的導電性層５８を覆って配置されたティーター・トッター構造として形成されてもよい。可動要素５６は、懸垂アンカー６６によって基板５４に機械的に結合される。可動要素５６は、堆積およびスパッタリングなどの知られている方法で形成されてもよい。したがって、可動要素５６は、ブランケット層として犠牲層を覆って堆積されてもよく、また、その後、可動要素５６の端部８０から回転軸６８に向かって延在する長さ９０および幅９２の溝８８を形成するために、パターニングされ、エッチングされてもよい。

上述した構造の形成に続いて、犠牲層は、従来の手順に従って除去される。たとえば、静的導電性層５８、可動要素５６、および懸垂アンカー６６のポリシリコンに目だって損傷を与えることなく、フォスホシリケートガラス犠牲層を除去しうる選択的エッチャントが使用されてもよい。エッチングに続いて、可動要素５６および懸垂アンカー６６の回転部分は、下にある基板５４から離型される。

セクション７４内に溝８８を形成する前に、セクション７４は、溝８８の形成に続くセクション７４の質量より大きな質量を示す。セクション７４の質量は、溝８８内の材料が喪失するため、溝８８の形成に続いて減少する。しかし、本発明のある実施形態では、溝は、溝８８を形成する前のセクション７４の質量より約２〜５パーセント小さいセクション７４の質量減少を材料喪失がもたらすほどに十分に小さい。溝８８の形成がセクション７４の質量をわずかに減少させるだけであるため、ＭＥＭＳセンサ５２の感度に対する変化は無視できる。たとえば、一実施形態では、溝８８のそれぞれの幅９２は、５２ミクロンピッチで約１．５ミクロンであってよく、これは、ＭＥＭＳセンサの感度を約３パーセントだけ減少させるだけである。

図８は、ＭＥＭＳセンサ５２が組込まれてもよいデバイス９４を示す。デバイス９４は、車両ダイナミック制御システム、慣性誘導システム、車両内のエアバッグ展開システム、種々のデバイス用の保護システム、および多くの他の科学および工業システムなどの多数のデバイスのうちの任意のデバイスであってよい。ＭＥＭＳセンサ５２は、電極要素６２および６４（図５）の平面に垂直な軸に沿う加速度を検知することが可能な単一軸加速度計であってよい。

デバイス９４は、ＭＥＭＳセンサ５２が組込まれる加速度計パッケージ９６を含んでもよい。この例示的な状況では、加速度計パッケージ９６は、回路９８と通信状態にあり、回路９８は、たとえば、プロセッサ、ハードディスクドライブ、および当業者に知られている従来のバス構造を介して相互接続される他のコンポーネントを含んでもよい。デバイス９４は、簡潔にするために本明細書で論じられていない多くの他のコンポーネントを含んでもよいことを当業者は認識するであろう。さらに、デバイス９４は、本明細書で指定される構造を有する必要はない。この実施例では、回路９８は、加速度計パッケージ９６からの信号を監視する。これらの信号は、方向３７（図２）の加速度を含みうる。加速度信号１００は、ＭＥＭＳセンサ５２から出力され、回路９８に出力される前に、当業者に知られているように、適切な処理のための入力／出力回路チップ１０２のセンス回路に伝達される。加速度信号１００は、加速度に依存するパラメータの大きさ（たとえば、電圧、電流、周波数など）を有する。しかし、溝９８（図５）の包含は、回転軸（図５）の対向する側における可動要素５６の任意の非対称な曲げを大幅に減少させるため、加速度信号１００が、方向３７（図２）の加速度をより正確に反映する。

本明細書で述べる実施形態は、差動容量性ＭＥＭＳセンサを含むデバイスを備える。別の実施形態は、本発明の微小電気機械システムセンサを作製する方法を含む。センサは、ティーター・トッター構造、すなわち、可動要素として作製される差動加速度計であってよい。可動要素の回転軸から遠くで可動要素のより重い端部において、かつ、可動要素の回転軸に向かって延在する溝が形成される。可動要素の「重い端部」に溝が存在するため、パッケージ応力は、回転軸の両側で可動要素のより対称な変形をもたらす。可動要素のこの対称な曲げは、従来のＭＥＭＳセンサにおいて見られるよりも著しく小さなオフセット差をもたらす。したがって、パッケージ応力の影響は、大幅に減少し、相応して改善されたＴＣＯ性能およびＭＥＭＳセンサのより正確な加速度出力をもたらす。

本発明の好ましい実施形態が、詳細に示され、述べられたが、本発明の趣旨から逸脱することなく、または、添付特許請求項の範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態において種々の変更が行われてもよいことが当業者に容易に明らかになるであろう。

Claims (5)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを備えるデバイスにおいて、前記センサは、
   可動要素の第１の端部と第２の端部との間で変位した回転軸に対して相対移動することによって、前記回転軸と前記第１の端部との間の第１のセクションおよび前記回転軸と前記第２の端部との間の第２のセクションを形成する可動要素において、前記第１のセクションは、前記回転軸と前記第２の端部との間の第２の長さより長い前記回転軸と前記第１の端部との間の第１の長さを有し、前記第１のセクションは、前記可動要素を貫通して延在する溝を有している、可動要素と、
   前記可動要素の前記第１のセクションに対向している第１の電極要素、および、前記可動要素の前記第２のセクションに対向している第２の電極要素とを備え、前記基板上にて前記可動要素から離間して設けられた静的導電層が前記第１および第２の電極要素を含んでなる、デバイス。
2. 前記溝はそれぞれ、第１の寸法および第２の寸法を示し、前記第１の寸法は、前記第２の寸法より長い、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記可動要素は、前記回転軸に直交する対称軸を示し、前記溝は、前記対称軸の両側に均等に分配される請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第１のセクションは、前記第１のセクション内で前記溝を形成する前に、第１の質量を有し、前記第１のセクションは、前記第１のセクション内で前記溝を形成した後に、前記第１の質量より２〜５パーセント小さい範囲にある第２の質量を有する、請求項１に記載のデバイス。
5. 基板を設ける工程と、
   第１の電極要素および第２の電極要素を含む静的導電性層を、前記基板上に形成する工程と、
   前記静的導電性層上に犠牲層を形成する工程と、
   可動要素の第１の端部と第２の端部との間で変位した回転軸に対して相対移動することによって、前記回転軸と前記第１の端部との間の第１のセクションおよび前記回転軸と前記第２の端部との間の第２のセクションを形成する可動要素を前記犠牲層上に形成する、可動要素形成工程であって、前記第１のセクションは、前記回転軸と前記第１の端部との間に延伸するとともに前記回転軸と前記第２の端部との間の第２の長さより長い第１の長さを有し、前記可動要素形成工程は、前記可動要素を貫通して延在する溝を前記第１のセクション内に形成することを含む、可動要素形成工程と、
   前記第１の電極要素が前記可動要素の前記第１のセクションに対向し、および、前記第２の電極要素が前記可動要素の前記第２のセクションに対向すべく形成されている導電性層を、前記可動要素から離間させるために、前記犠牲層を選択的に除去する工程とを備える、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを作製するための方法。

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